NO119709B

NO119709B -

Info

Publication number: NO119709B
Application number: NO15989865A
Authority: NO
Inventors: P Van Donkelaar
Original assignee: Outboard Marine Corp
Priority date: 1965-03-26
Filing date: 1965-09-29
Publication date: 1970-06-22

Description

Gnistgapstabel, fortrinnsvis for ventilavledere. Spark gap stack, preferably for valve arresters.

Gnistgapstabler for ventilavledere be-står i alminnelighet av et antall skivefor-mede, metalliske elektroder, mellom hvilke der dannes et antall seriekoblede gnistgap-strekninger. Gnistgapstabelens funksjon i ventilavlederen er for det første å isolere når der bare ligger normal driftsspenning Spark gap stacks for valve arresters generally consist of a number of disk-shaped, metallic electrodes, between which a number of series-connected spark gap stretches are formed. The function of the spark gap stack in the valve arrester is, firstly, to isolate when there is only normal operating voltage

— vanlig vekselspenning — over avlederen, — ordinary alternating voltage — across the arrester,

for det annet å tenne når en overspenning av en viss høyde overlagres på denne vekselspenning og for det tredje atter å slukke lysbuen og isolere når overspenningen har passert og bare den normale driftsspenning står tilbake. Slukningen finner normalt sted ved den første nullgjennomgang av driftsspenningen etter at overspenningen har passert. Slukkeevnen for et gap av en gitt konstruksjon henger dels sammen med den av overspenningen frembrakte støt-strøms størrelse og tidsform, dels med stør-relsen av den av driftsspenningen frem-drevne såkalte følgestrøm i tiden mellom støtstrømmens passasje og lysbuens sluk-ning ved en påfølgende nullgjennomgang av driftsspenningen. I denne forbindelse skal bemerkes at de i praksis opptredende overspenninger er stort sett kjent hva an-går størrelse og forekomstfrekvens, mens følgestrømmens størrelse er en konstruktiv variabel. En karakteristisk utviklingsten-dens ved moderne ventilavledere er at følgestrømmen gis høyere og høyere verdier, hvilket med hensyn til ventilavlede-rens spenningsavhengige motstand inne-bærer forbedrede beskyttelsesegenskaper ved anordningen. En forutsetning for denne utvikling er imidlertid at de i stabelen inn- secondly, to ignite when an overvoltage of a certain height is superimposed on this alternating voltage and thirdly to extinguish the arc again and isolate when the overvoltage has passed and only the normal operating voltage remains. The switch-off normally takes place at the first zero crossing of the operating voltage after the overvoltage has passed. The extinguishing capability for a gap of a given construction is partly related to the size and time form of the shock current produced by the overvoltage, and partly to the size of the so-called follow-on current driven by the operating voltage in the time between the passage of the shock current and the extinguishing of the arc at a subsequent zero crossing of the operating voltage. In this connection, it should be noted that the overvoltages occurring in practice are largely known in terms of size and frequency of occurrence, while the size of the follow-on current is a constructive variable. A characteristic development trend in modern valve arresters is that the following current is given higher and higher values, which, with regard to the valve arrester's voltage-dependent resistance, implies improved protection properties of the device. A prerequisite for this development, however, is that they in the stack in-

gående gnistgap har en tilstrekkelig slukkeevne. walking spark gaps have a sufficient extinguishing capacity.

Slukkeevnen for en enkel gnistgap-strekning mellom metallflater som befinner seg i kort avstand fra hinannen, beror på at den i lysbuen oppvarmede gassmasse og lysbuens fotpunkter på elektrodene hurtig avjoniseres og avkjøles ved at varmen ledes vekk i elektrodemetallene. Visse eksperi-menter tyder på at det er fordelaktig om gassvolumet mellom to elektroder har fri-het til å ekspandere, hvilket forutsetter at gapelektrodens ytre kant ikke anvendes sammen med et ringformet, isolerende støtteelement, se f. eks. den i svensk patent 109 211 beskrevne stabeltype. The extinguishing ability of a simple spark gap stretch between metal surfaces that are located a short distance from each other is due to the fact that the gas mass heated in the arc and the base points of the arc on the electrodes are quickly deionized and cooled by the heat being conducted away in the electrode metals. Certain experiments indicate that it is advantageous if the gas volume between two electrodes is free to expand, which assumes that the outer edge of the gap electrode is not used together with an annular, insulating support element, see e.g. the stack type described in Swedish patent 109,211.

Foreliggende oppfinnelse vedrører gnistgapstabler med ved periferien frie elektrodeplater og tar sikte på ytterligere å øke deres slukkeevne. En svakhet ved den tidligere anordning har nemlig vist seg å være at lysbuen under følgestrømsinter-vallet løper fra tennstrekningen frem til den frie kant. Hvis følgestrømmen da har en høyere verdi enn man tidligere har brukt, vil avbrenningen på elektrodekanten bli meget kraftig, hvilket kan lede til suk-sessivt overslag til nærliggende elektroder i stabelen. Det er envidere blitt funnet at der i praksis foreligger en maksimalverdi for den løpstrekning som lysbuen tilbake-legger ved forskjellige følgestrømmer in-nenfor hele det i praksis forekommende strømområde. En økning av følgestrømmen fra lave verdier gir til å begynne med veks-lende vandringstendens hos lysbuen, men når man oppnår betraktelig høyere verdier brenner lysbuen fast i elektrodeflaten, hvorved dens vandring begrenses. The present invention relates to spark gap stacks with free electrode plates at the periphery and aims to further increase their extinguishing ability. A weakness of the previous device has been found to be that the arc during the follow-current interval runs from the ignition path to the free edge. If the follow current then has a higher value than previously used, the burn-off on the electrode edge will be very strong, which can lead to successive flashover to nearby electrodes in the stack. It has also been found that in practice there is a maximum value for the distance traveled by the arc at different follow currents within the entire current range occurring in practice. An increase in the follow current from low values initially gives an alternating migration tendency of the arc, but when considerably higher values are reached, the arc burns firmly in the electrode surface, whereby its migration is limited.

Ifølge oppfinnelsen utføres derfor gnistgapstabelen med de på hinannen stablede elektrodeplater, hvis profil er utformet til å danne tennstrekninger mellom på hinannen følgende plater, på slik måte at den korteste løpstrekning for lysbuens fotpunkter langs den frie elektrodeflate fra en tennstrekning til en fri elektrodekant er minst 20 mm. Ytterligere sikkerhet mot at lysbuen på sin vandring når en fri elektrodekant fåes i henhold til en modifika-sjon av oppfinnelsen ved at man gir lysbuen en fortrinnsretning for sin vandring, i det man velger en annen retning enn den mot den nærmeste kant. Denne fortrinnsretning bevirkes ikke av magnetisk blås-ning men ved hjelp av skjermer som reflek-terer eller avbøyer de trykkbølger i gassen som stammer fra den plutselig opptredende støtstrømslysbue. Alternativt eller kombi-nert med denne forholdsregel kan tennstrekningen utføres som en eksentrisk anordnet, vorteformet forhøyning, hvorved oppnåes at trykkbølger reflekteres usym-metrisk i forhold til innersiden av den be-holder hvori stabelen er innsatt. Ved en systematisk vinkelforskyvning av på hinannen følgende tennstrekninger eller av-skjermningsanordninger eller begge deler i stabelen kan dessuten fortrinnsretningen i på hinannen følgende gap legges mot forskjellige punkter langs gapstabelens periferi. Derved minskes sannsynligheten for at lysbuene slår seg sammen rundt elektrode-kantene og således faren for serieoverslag mellom flere elektroder. Ved å utføre tennstrekningen som en eksentrisk anordnet, vorteformet forhøyning som er vinkelforskutt i forhold til tilsvarende forhøyninger i tilstøtende elektrodeplater, oppnåes dessuten den fordel at forhøyningene kan til-veiebringes ved utpresninger av emner av tynt platemateriale uten at de derved opp-stående fordypninger behøver å fylles igjen. According to the invention, the spark gap stack is therefore carried out with the electrode plates stacked on top of each other, the profile of which is designed to form ignition stretches between successive plates, in such a way that the shortest running distance for the base points of the arc along the free electrode surface from an ignition stretch to a free electrode edge is at least 20 etc. Further security against the arc reaching a free electrode edge during its travel is obtained according to a modification of the invention by giving the arc a preferred direction for its travel, choosing a direction other than that towards the nearest edge. This preferential direction is not effected by magnetic blowing but by means of screens that reflect or deflect the pressure waves in the gas that originate from the suddenly occurring shock current arc. Alternatively or in combination with this precaution, the firing line can be carried out as an eccentrically arranged, wart-shaped elevation, whereby it is achieved that pressure waves are reflected asymmetrically in relation to the inner side of the container in which the stack is inserted. In addition, by a systematic angular displacement of consecutive firing lines or shielding devices or both parts in the stack, the preferential direction in successive gaps can be placed towards different points along the periphery of the gap stack. Thereby, the probability of the arcs coalescing around the electrode edges and thus the risk of series flashover between several electrodes is reduced. By carrying out the ignition stroke as an eccentrically arranged, wart-shaped elevation which is angularly offset in relation to corresponding elevations in adjacent electrode plates, the advantage is also achieved that the elevations can be provided by extrusion of blanks of thin plate material without the resulting indentations having to filled again.

Endel utførelseseksempler på oppfinnelsen skal beskrives under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser oppriss og plan-riss av en elektrodestabel med konsentrisk anordnet tennstrekning samt en ringseg-mentformet skjerm av isolasjonsmateriale, fig. 2 en tilsvarende anordning hvor skjermen utgjøres av en forhøyning av ledende materiale, fig. 3 en elektrodeplate med eksentrisk anordnet tennstrekning og fig. 4 og 5 på hinannen følgende elektrodeplater i stabelen med tennstrekninger og skjermer og med en viss innbyrdes vinkelforskyvning. Some embodiments of the invention shall be described with reference to the drawing, where fig. 1 shows an elevation and plan view of an electrode stack with a concentrically arranged spark line and a ring segment-shaped screen of insulating material, fig. 2 a corresponding device where the screen consists of an elevation of conductive material, fig. 3 an electrode plate with an eccentrically arranged spark line and fig. 4 and 5 on successive electrode plates in the stack with ignition lines and shields and with a certain mutual angular displacement.

På fig. la sees en av tre elektrodeplater In fig. let's see one of three electrode plates

bestående gnistgapstabel, mens fig. lb viser snittet B—B på fig. 1. Hver elektrodeplate 2 er forsynt med en vorteformet for-høyning 1 som sammen med den plane del av den tilstøtende elektrodeplate danner en tennstrekning for lysbuen. Platenes innbyrdes avstand er bestemt av avstands-stykker 3. Disse kan bestå av høyohms isolasjonsmateriale eller av motstandsmateri-ale for styring av spenningsdelingen mellom elektrodeplatene. Avstandsstykkene 3 holdes i stilling av små forhøyninger 5 som f. eks. kan frembringes ved utpresning i elektrodeplaten. Til hver elektrodeplate hører en skjerm 4 av isolasjonsmateriale, som f. eks. kan ha den på tegningen viste ringsegmentform. Også skjermen kan med fordel holdes i sin stilling av små forhøy-ninger 6 i platen. Avstanden mellom for-høyningenes 1 plane del langs den frie elektrodeflate frem til en fri elektrodekant er minst 20 mm. Avskj ermningsanordnin-gen gir lysbuen en fortrinnsretning, i foreliggende tilfelle mot venstre. existing spark gap stack, while fig. lb shows the section B—B in fig. 1. Each electrode plate 2 is provided with a wart-shaped elevation 1 which, together with the flat part of the adjacent electrode plate, forms an ignition path for the arc. The mutual distance between the plates is determined by spacers 3. These can consist of high-ohm insulating material or of resistance material for controlling the voltage distribution between the electrode plates. The spacers 3 are held in position by small elevations 5 such as e.g. can be produced by extrusion in the electrode plate. A screen 4 of insulating material, such as e.g. can have the ring segment shape shown in the drawing. The screen can also be advantageously held in its position by small elevations 6 in the plate. The distance between the elevations' 1 flat part along the free electrode surface up to a free electrode edge is at least 20 mm. The shielding device gives the arc a preferential direction, in the present case to the left.

Anordningen ifølge fig. 2 atskiller seg fra den på fig. 1 forsåvidt som avskj erm - ningsanordningen utgjøres av en forhøy-ning i elektrodeplaten og er anordnet på motsatt side av tennvorten 1. Forhøynin-gen kan med. fordel bestå av elektrisk ledende materiale og behøver ikke å strekke seg over hele avstanden mellom to på hinannen følgende elektrodeplater. The device according to fig. 2 differs from that of fig. 1 provided that the shielding device consists of an elevation in the electrode plate and is arranged on the opposite side of the spark plug 1. The elevation can include advantage consists of electrically conductive material and does not need to extend over the entire distance between two successive electrode plates.

Som nevnt innledningsvis kan man frembringe en fortrinnsretning for lysbuen ved å anordne tennstrekningen eksentrisk. Denne forholdsregel kan enten foretas uav-hengig av eller i kombinasjon med anordningen av skjermer. På fig. 3 er elektrodeplaten 2 forsynt med en eksentrisk tenn-vorte 1. Den ved eksentrisiteten oppnådde fortrinnsretning blir ytterligere fremhevet ved avstandsstykkene 3 som ligger i umid-delbar nærhet av tennvorten og tjener som avskj ermningsanordning. Avstandsstykkene kan ved dette eksempel ha en i hovedsaken rektangulær form. Avstandsstykkene eller en del av disse kan imidlertid også ut-gjøres av styreimpedanser for styring av spenningsfordelingen, eller av forjonise-ringslegemer som utsender en stråling og derved forjoniserer tennstrekningen. As mentioned at the outset, a preferred direction for the arc can be produced by arranging the ignition path eccentrically. This precaution can either be taken independently of or in combination with the arrangement of screens. In fig. 3, the electrode plate 2 is provided with an eccentric ignition wart 1. The preferential direction achieved by the eccentricity is further accentuated by the spacers 3 which lie in the immediate vicinity of the ignition wart and serve as a shielding device. In this example, the spacers can have a mainly rectangular shape. However, the spacers or a part of them can also be made up of control impedances for controlling the voltage distribution, or of ionization bodies which emit radiation and thereby ionize the spark line.

Fig. 4 viser et eksempel på en systematisk vinkelforskyvning av avskj ermningsanordningene i på hinannen følgende elektrodeplater. På fig. 4a, 4b og 4c er med 2 betegnet tre på hinannen følgende elektrodeplater med konsentrisk anordnede tenn vorter 1. Avskj ermningsanordningene 4 har form av ringsegmenter. De har en vinkelforskyvning i forhold til nestfølgende avskjermningsanordning på 120° og bevir-ker således at lysbuene som dannes i sta-belens forskjellige tennstrekninger, får forskjellige vandringsretninger. Platene holdes i riktig innbyrdes stilling ved hjelp av elementene 3 som kan være avstandselementer og/eller styremotstander og/eller joniseringsanordninger. Fig. 4 shows an example of a systematic angular displacement of the shielding devices in successive electrode plates. In fig. 4a, 4b and 4c are denoted by 2 three successive electrode plates with concentrically arranged tin warts 1. The shielding devices 4 have the form of ring segments. They have an angular displacement in relation to the next shielding device of 120° and thus cause the arcs that are formed in the stack's different ignition sections to have different directions of travel. The plates are held in the correct relative position by means of the elements 3 which can be spacers and/or control resistors and/or ionisation devices.

En systematisk vinkelforskyvning er også tilstede ved den på fig. 5 viste stabel. A systematic angular displacement is also present at the one in fig. 5 showed stack.

Fig. 5a, 5b og 5c viser tre på hinannen føl-gende elektrodeplater 2 med eksentrisk anordnede tennvorter 1. Avskjermhingsan-ordninger 4 som også i dette tilfelle har form av et ringsegment, er anbrakt i samme relative stilling for de tre elektrodeplaters vedkommende. Både avskjermningsanord-ningene og vortene er innbyrdes vinkelforskutt på hinannen følgende elektrodeplater, i dette tilfelle med 120°. Denne forskyvning foretas i virkeligheten på den måte at selve platene med de på disse anordnede tennvorter og avskj ermningsanordninger er vinkelforskutt. Ved vinkelforskyvning av både tennstrekninger og avskj ermningsanordninger oppnår man at lysbuene mellom elektrodeplatene får nøyaktig fastlagte for-trinnsretninger som er innbyrdes vinkelforskutt. Figs. 5a, 5b and 5c show three successive electrode plates 2 with eccentrically arranged sparking nipples 1. Screen hinge arrangements 4, which also in this case have the form of a ring segment, are placed in the same relative position for the three electrode plates. Both the shielding devices and the warts are angularly offset from each other on the successive electrode plates, in this case by 120°. In reality, this displacement is carried out in such a way that the plates themselves with the igniter warts and shielding devices arranged on them are angularly displaced. By angular displacement of both ignition lines and shielding devices, it is achieved that the arcs between the electrode plates have precisely determined advance directions which are angularly offset from each other.

Som det fremgår av fig. 5 holdes også i dette tilfelle platene i riktig innbyrdes avstand ved hjelp av elementer 3 som kan være avstandselementer, styreimpedanser og/eller joniseringsanordninger. Deres antall pr. plate velges hensiktsmessig slik i forhold til platenes vinkelforskyvning at elementene på på.hinannen følgende plater vil ligge overfor hinannen, dvs. danne støttepilarer gjennom gnistgapstabelen. Derved får stabelen ved sammensetningen den ønskede mekaniske stivhet. Denne anordning forutsetter at antallet elementer 3 er lik eller et multiplum av antallet for-skyvningstrinn i syklussen. Ved eksemplet tilsvarende tre elementer pr. plate tre for-skyvningstrinn på hvert 120°. Også for anordningen ifølge fig. 5 gjelder at selve avstandselementene 3 kan utgjøre avskj ermningsanordninger. Den ringsegmentf ormede skjerm 4 kan da sløyfes. I dette tilfelle for-skyves avstandselementene 3 hensiktsmessig 60° i forhold til den viste stilling. TEt av elementene kommer da til å ligge mellom tennvorten og den nærmeste frie elektrodekant og bidrar således til at lysbuen etter ténningen i tennstrekningen vandrer i hovedsaken i motsatt retning. Den relative stilling mellom avstandselementene og tennvortene bibeholdes ved at de sammen, hensiktsmessig ved vinkeldreining av elektrodeplaten, vinkelforskyves i forhold til anordningene på den nærmestliggende elektrodeplate. As can be seen from fig. 5, the plates are also kept in this case at the correct distance from each other by means of elements 3 which can be distance elements, control impedances and/or ionisation devices. Their number per plate is appropriately chosen such that in relation to the plates' angular displacement, the elements on the plates following one another will lie opposite each other, i.e. form support pillars through the spark gap stack. Thereby, the stack gets the desired mechanical stiffness by composition. This device assumes that the number of elements 3 is equal to or a multiple of the number of displacement steps in the cycle. In the example corresponding to three elements per plate three pre-shift steps of every 120°. Also for the device according to fig. 5 applies that the distance elements 3 themselves can constitute shielding devices. The ring segment-shaped screen 4 can then be looped. In this case, the distance elements 3 are appropriately moved 60° in relation to the position shown. The element will then lie between the igniter tip and the nearest free electrode edge and thus contribute to the arc traveling mainly in the opposite direction after ignition in the igniter section. The relative position between the spacer elements and the tooth warts is maintained by the fact that they are together, suitably by angular rotation of the electrode plate, angularly displaced in relation to the devices on the nearest electrode plate.

Ved samtlige utførelser er forhøynin-gene i elektrodeplatene, dvs. tennvortene 1, forhøyningene 4 og festeanordningene 5 og 6, hensiktsmessig tilveiebrakt ved utpresning av elektrodeplater av tynt platemateriale. De fordypninger som på denne måte oppstår på utpresningsstedenes mot-satte side, utgjør ingen ulempe når elektrodeplaten på dette sted ikke nødvendigvis behøver å være plan. I denne henseende byr den systematiske forskyvning av ekssen-trisk anordnede tennvorter ytterligere den fordel at tennvorten på en elektrodeplate vil ligge rett overfor en plan del av den følgende plate. In all designs, the elevations in the electrode plates, i.e. the teeth 1, the elevations 4 and the fastening devices 5 and 6, are suitably provided by pressing out the electrode plates from thin plate material. The indentations that occur in this way on the opposite side of the extrusion locations do not constitute a disadvantage when the electrode plate at this location does not necessarily have to be flat. In this respect, the systematic displacement of eccentrically arranged teeth further offers the advantage that the teeth on an electrode plate will lie directly opposite a flat part of the following plate.

Som allerede nevnt er oppfinnelsen ikke bundet til den for avskj ermningene viste ringsegmentform. Ved de fleste utfø-relser kan avskjermningsanordningen bestå av isolerende eller ledende materiale. Ved samtlige utførelser kan også de for øvrig mellom platene anordnede elementer, så-som avstandselementer, styremotstander og joniseringsanordninger utgjøre avskjerm-ningsanordninger for å tilveiebringe en fortrinnsretning for lysbuens vandring. As already mentioned, the invention is not bound to the ring segment shape shown for the screens. In most embodiments, the shielding device can consist of insulating or conductive material. In all embodiments, the elements otherwise arranged between the plates, such as spacers, control resistors and ionization devices, can also constitute shielding devices to provide a preferred direction for the arc's travel.

Claims

1. Spark gap stack, preferably for valve arresters with electrode plates stacked on top of each other, separated from each other, where the spaces formed between the different electrode plates at the periphery of the plates are in free connection with each other and where the profile of the plates is designed to form ignition lines for an arc between the following plates, characterized in that the shortest running distance for the foot points of the arc along the free electrode surface from one spark line to a free electrode edge is at least 20 mm.

2. Spark gap stack according to claim 1, characterized in that a shield which gives the arc a preferential direction is arranged in the vicinity of the ignition line between successive electrode plates.

3. Spark gap stack according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of two successive electrodes is provided with an eccentrically arranged, wart-shaped elevation to form an ignition line.

4. Spark gap stack according to claim 3, characterized in that consecutive ignition sections in the stack are mutually angularly offset.

5. Spark gap stack according to claim 2, characterized in that successive shield devices in the stack are angularly offset from each other.

6. Spark gap stack according to claim 4, characterized in that successive shielding devices in the stack are offset from each other by the same angle as successive ignition sections.

7. Spark gap array according to claim 2, 3, 5 or 6, characterized in that the shielding devices consist of spacer elements, control impedances or pre-ionization bodies between electrode plates.

8. Spark gap stack according to claim .2, 3, 5 or 6, characterized in that the shielding devices are formed by elevations in electrode plates.

9. Spark gap stack according to claim 7, characterized in that the number of spacing elements and/or control impedances between two successive electrode plates is so chosen in relation to their angular displacement that they individually or together form support pillars through the spark gap stack.

10. Spark gap stack according to claim 1, characterized in that the profile of the electrode plates is produced by extrusion of a blank of thin plate material.